用于增材制造的沉積頭的制作方法

用于增材制造的沉積頭的制作方法
【專利摘要】本發明的題目是用于增材制造的沉積頭。用于增材制造的沉積頭(106)可包括材料進料器(110)和將電磁能(114)引導至生長面(120)的電磁能量源(112)，所述材料進料器(110)包括將第一進料(140)沉積至生長面(120)的第一進料器(134)，和將第二進料(142)沉積至生長面(120)的第二進料器(136)，其中電磁能(114)在生長面(120)上形成熔化池(124)，并且其中熔化池(124)可包括熔化的第一進料(146)和熔化的第二進料(148)中的至少一種。
【專利說明】
用于増材制造的沉積頭
技術領域
[0001 ] 本公開內容一般涉及增材制造(additive manufacturing)，并且更具體而言，涉及用于增材制造的沉積頭(deposit1n head)，其能夠沉積結構上不同的和/或組成上不同的進料。
【背景技術】
[0002]增材制造，或“3D印刷”是其中增材制造系統(例如，3D印刷機)基于三維物體的三維模型或其它數字表示來構造物體的制造工藝。增材制造系統通過以物體形狀沉積組分材料或以其它方式使組分材料以物體形狀成形來構造或印刷物體，直到其形成。在一個常見的實例中，沉積代表物體的橫截面的材料的連續層，并且熔化或以其它方式固化材料的沉積層以構建最終物體。最終的三維物體是充分致密的并且可以包括復合形狀。
[0003]通常的增材制造工藝包括將基材沉積在生長面上(例如，最初沉積在基底上，然后沉積在基材的先前沉積層上)和將能量源引導至生長面上以在生長面上形成熔化池。基材沉積入熔化池并且被熔化池合并以將額外的材料逐層提供給物體。
[0004]—種類型的增材制造工藝形成大的熔化池沉積。這樣的工藝可以迅速地產生具有近網狀的物體;然而，這種工藝需要后處理機械加工以實現物體的最終三維形狀，這實際上增加了生產物體的時間和成本。另一種類型的增材制造工藝形成小的熔化池沉積。這樣的工藝可以使得精確沉積以實現物體的最終三維形狀(例如，僅需要精加工(finishingmachining));然而，該工藝對于形成最終物體是緩慢的并且需要多個工序，這實際上增加了生產物體的時間和成本。
[0005]因此，本領域技術人員在三維物體的增材制造領域中繼續進行研究和開發工作。

【發明內容】

[0006]在一個實施方式中，公開的用于增材制造的沉積頭可以包括材料進料器和將電磁能引導至生長面的電磁能量源，所述材料進料器包括將第一進料沉積至生長面的第一進料器和將第二進料沉積至生長面的第二進料器，其中該電磁能在生長面上形成熔化池，并且其中該熔化池可包含熔化的第一進料和熔化的第二進料中的至少一種。
[0007]在另一個實施方式中，公開的增材制造裝置可包括支撐生長面的構建平臺(buildplatform)和相對于構建平臺可移動的沉積頭，該沉積頭可包括將第一進料沉積至生長面的第一進料器、和將第二進料沉積至生長面的第二進料器、和將電磁能引導至生長面的電磁能量源，其中該電磁能在生長面上形成熔化池，并且其中該熔化池可包含熔化的第一進料和熔化的第二進料中的至少一種。
[0008]在又另一實施方式中，公開的用于增材制造三維制品的方法可包括以下步驟:(I)通過材料進料器將進料沉積至生長面，其中進料包括第一進料、第二進料和第三進料中的至少一種，并且其中第一進料、第二進料和第三進料中的至少一種是不同的，(2)將進料暴露于電磁能以形成熔化池，其中熔化池包括熔化的第一進料、熔化的第二進料和熔化的第三進料中的至少一種，和(3)固化熔化池。
[0009]公開的系統和方法的其它實施方式將從下面的【具體實施方式】、附圖描述和所附權利要求中變得顯而易見。
[0010]附圖描述
[0011]圖1是公開的增材制造環境的一個實施方式的方框圖；
[0012]圖2是圖1的公開的增材制造裝置的一個實施方式的示意性透視圖；
[0013]圖3是圖1的公開的用于增材制造裝置的沉積頭的一個實施方式的部分的示意性側視圖；
[0014]圖4是公開的沉積頭的另一個實施方式的部分的示意性側視圖；
[0015]圖5是圖4的沉積頭的部分的另一個示意性側視圖；
[0016]圖6是在圖1的制品的生長面上的熔化池的一個實施方式的示意性俯視圖；
[0017]圖7是公開的用于增材制造三維制品的方法的一個實施方式的流程圖；
[0018]圖8是飛行器生產和服務方法的方框圖；和
[0019]圖9是飛行器的示意性圖解。
【具體實施方式】
[0020]下面的【具體實施方式】參照圖解本公開內容的【具體實施方式】的附圖。具有不同結構和操作的其它實施方式不脫離本公開內容的范圍。不同附圖中相同的附圖標記可以代表相同的元件或部件。
[0021]參照圖1，公開了增材制造環境的一個實施方式，一般指定100。三維制品一一其一般指定“制品” 102，可以由增材制造裝置一一其一般指定“裝置” 104——制造。
[0022]如本文所使用，術語“制品”指的是具有幾乎任何形狀或幾何結構(例如，復合形狀和/或幾何結構)并由增材制造工藝生產的任何三維物體、工件、零件、部件、產品等。增材制造工藝包括用于制造三維制品的任何過程或操作，其中基材的連續層例如在計算機控制下被敷設。
[0023]參照圖1和2，增材制造裝置104的一個實施方式可以包括沉積頭106和構建平臺108。制品102在構造期間可被支撐在構建平臺108上。構建平臺108可以包括基板、基底或任何其它適合的構建表面，以支撐在其上增材制造的進料118和制品102的層。沉積頭106可以包括材料進料器110。材料進料器110可以配置為沉積一種或多種進料118(例如，許多不同類型的基材)以形成生長面120。沉積頭106可以包括電磁能量源112。電磁能量源112可以生成和/或發射能夠照射進料118以在生長面120上形成局部的熔化池124的電磁能114。制品102可以通過連續添加具有預定厚度t、面積a和/或輪廓c(圖1)的進料118的層122進行制造，進料118的層122被從電磁能量源112引導至生長面120的電磁能114熔化。
[0024]電磁能114可以包括引導的電磁輻射或能量的集中束(例如，用于能量照射的能量束或用于激光照射的激光束)。作為一個一般的非限制性的實例，電磁能量源112可包括激光器126(例如，激光束發生器)。激光器126可以生成和/或發射能夠選擇性地熔化進料118的激光束128 (例如，電磁能114)。作為一個具體的非限制性的實例，激光器126可以包括纖維激光器，例如，5kW纖維激光器。作為另一個一般的非限制性的實例，電磁能量源112可以包括電子束發生器(沒有被明確地圖解)，其配置為生成和/或發射能夠選擇性地熔化進料118的電子束(例如，電磁能114)。
[0025]作為一個實例，本文所公開的增材制造技術(例如，裝置104和/或方法300)可以是選擇性激光熔化技術(“SLM”)。作為另一個實例，本文公開的增材制造技術(例如，裝置104和/或方法300)可以是選擇性激光燒結技術(“SLS”)。作為另一個實例，本文公開的增材制造技術(例如，裝置104和/或方法300)可以是電子束熔煉技術(?ΒΜ” )。
[0026]參照圖2，并參考圖1，作為一個實例，來自材料進料器110的一種或多種進料118可以最初被沉積在構建平臺108的表面上以形成生長面120。電磁能114被引導在進料118處，例如，在構建平臺108上的選定位置處以在生長面120上形成熔化池124(例如，進料118的熔池(mo I ten puddle))。一種或多種進料118的后繼層可以沉積在先前生長的(例如，構建的)材料層上并且整合在生長面120上的熔化池124內(例如，通過在熔化池124內熔化和形成溶液)。引入額外的進料118可以迫使原熔化池124的一部分在熔化池-生長面界面處固化(例如，冷卻)，從而形成新材料層并且構建生長面120。
[0027]參照圖2，沉積頭106例如在制品102的構造期間相對于生長面102 (例如，制品102或構建平臺108)可以是可移動的。沉積頭106相對于生長面120的移動可以促進進料118的連續分層和/或適當地沉積進料118、定位電磁能114和/或在生長面120上移動熔化池124的位置。
[0028]作為一個實例，沉積頭106可以線性地移動至生長面120。例如，沉積頭106可以沿著X軸、Y軸、Z軸或其組合線性地移動。作為另一個實例，沉積頭106相對于生長面120可以可旋轉地移動。例如，沉積頭106可以繞X軸、Y軸、Z軸或其組合可旋轉地移動。作為又另一個實例，沉積頭106可以相對于生長面120非線性地移動。例如，沉積頭106可以相對于生長面120自由地移動，例如，以形成具有復合形狀的制品102。
[0029]裝置104可以包括沉積頭驅動機構130。沉積頭驅動機構130可以可操作地連接至沉積頭106。作為一般的非限制性的實例，沉積頭驅動機構130可包括配置為驅動沉積頭106相對于制品102(例如，相對于生長面120)運動(例如，線性的、可旋轉的和/或非線性的)的任何適合的機械的、機電的、液壓的或氣動的機構。作為其它一般的非限制性的實例，沉積頭驅動機構130可以包括配置為驅動電磁輻射源112相對于制品102運動的機器人機構、末端執行器、自主運動載體(autonomous vehicles)和/或其它相關技術。
[0030]除此之外，或可選地，構建平臺108例如在制品102的構造期間可以相對于沉積頭106可移動。構建平臺108相對于沉積頭106的移動可以促進進料118的連續分層和/或適當地定位生長面120，例如，以沉積進料118，從而定位引導的電磁能114和/或移動熔化池124的位置。
[0031]作為一個實例，構建平臺108可以例如相對于沉積頭106線性地移動。例如，構建平臺108可以沿著X軸、Y軸、Z軸或其組合線性地移動。作為另一個實例，構建平臺108可以例如相對于沉積頭106可旋轉地移動。例如，構建平臺108可以繞X軸、Y軸、Z軸或其組合可旋轉地移動。作為又另一個實例，構建平臺108可以例如相對于沉積頭106非線性地移動。例如，構建平臺108可以相對于沉積頭106自由地移動。
[0032]裝置104可以包括構建平臺驅動機構132。構建平臺驅動機構132可以可操作地連接至構建平臺108。作為一般的非限制性的實例，構建平臺驅動機構132可以包括配置為驅動構建平臺108相對于沉積頭106運動(例如，線性的、可旋轉的和/或非線性的)的任何適合的機械的、機電的、液壓的或氣動的機構。作為其它一般的非限制性的實例，構建平臺驅動機構132可以包括配置為驅動構建平臺108運動的機器人機構、末端執行器、自主運動載體和/或其它相關技術。
[0033]參照圖3，并參考圖1，在沉積頭106的一個實施方式中，材料進料器110可以包括第一進料器134和第二進料器136。第一進料器134可以配置為選擇性地沉積第一進料140至生長面120(例如，將第一進料140引入熔化池124)。第二進料器136可以配置為選擇性地沉積第二進料142至生長面120(例如，將第二進料142引至熔化池124)。
[0034]除非另有說明，術語“第一”、“第二”、“第三”等在本文中僅被用作標記，并且不意欲對這些術語所指的項施加順序的、位置的或等級的要求。而且，提及“第二”項不要求或排除低級編號項(例如，“第一”項)和/或高級編號項(例如，“第三”項)的存在。
[0035]在一個實例實施中，第一進料140和第二進料142可以是不同的。作為一個一般的非限制性的實例，第一進料140和第二進料142可以是結構上不同的。作為一個具體的非限制性的實例，第一進料140可以包括粉末164(例如，金屬粉末)和第二進料142可以包括絲166(例如，固體金屬絲)。作為一個實例，金屬粉末164和/或金屬絲166可以是不具有額外的填料材料的純金屬材料。作為另一個實例，金屬粉末164和/或金屬絲166可以包括額外的材料。
[0036]作為另一個一般的非限制性的實例，第一進料140和第二進料142可以是組成上不同的。作為另一個具體的非限制性的實例，第一進料140可以包括第一組分材料168和第二進料142可以包括第二組分材料170(圖1)。第一組分材料168和第二組分材料170可以是不同的。作為一般的非限制性的實例，第一組分材料168和/或第二組分材料170可以是金屬或金屬合金。作為具體的非限制性的實例，第一組分材料168可以包括鋼、鋁、鈦、鎳或任何適合的難熔金屬和/或基于鋼、鋁、鈦、鎳或任何適合的難熔金屬的任何合金。作為具體的非限制性的實例，第二組分材料170可以包括鋼、鋁、鈦、鎳或任何適合的難熔金屬和/或基于鋼、鋁、鈦、鎳或任何適合的難熔金屬的任何合金。
[0037]在又另一個一般的非限制性的實例中，第一進料140和第二進料142可以是結構上和組成上不同的。作為又另一個具體的非限制性的實例，第一進料140可以包括包含第一組分材料168 (例如，鋼粉末)的粉末164和第二進料材料142可以包括包含第二組分材料170(例如，鎳絲)的絲166。
[0038]參照圖4，并參考圖1，在沉積頭106的一個實施方式中，材料進料器110可以進一步包括第三進料器138(例如，材料進料器110可以包括第一進料器134、第二進料器136和第三進料器138)。第三進料器138可以配置為選擇性地沉積第三進料144至生長面120(例如，將第三進料144引至熔化池124)。
[0039]在一個實例實施中，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的至少一種可以是不同的。作為一個一般的非限制性的實例，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144可以是結構上不同的。作為一個具體的非限制性的實例，第一進料140可以包括粉末164(例如，金屬粉末)，第二進料142可以包括絲166(例如，固體金屬絲)和第三進料144可以包括絲166(例如，固體金屬絲)。作為另一個具體的非限制性的實例，第二進料142可以包括具有第一直徑dl的絲166(例如，第一絲166a)(圖4)和第三進料144可以包括具有第二直徑d2的絲166(例如，第二絲166b)(圖4)。第一直徑dl和第二直徑d2可以是不同的。例如，第一絲166a(例如，第二進料142)的第一直徑dl可以是大的直徑和第二絲166b(例如，第三進料144)的第二直徑d2可以是小的直徑(例如，第一直徑dl可以大于第二直徑d2)。作為一個非限制性的實例，大的直徑可以包括大約0.3 7 5英寸。作為一個非限制性的實例，小的直徑可以包括大約0.100英寸。金屬絲166的其它直徑也被考慮。
[0040]如本文所使用，“至少一種”指的是單個要素的任意組合或多個要素的任意組合。例如，X、Y和/或Z中的至少一種可以指X、Y、Z、X和Y、X和Z、Y和Z、或X和Y和Z。
[0041]作為另一個一般的非限制性的實例，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的至少一種可以是組成上不同的。作為另一個具體的非限制性的實例，第一進料140可包括第一組分材料168，第二進料142可包括第二組分材料170和第三進料144可包括第三組分材料172(圖1)。第一組分材料168、第二組分材料170和/或第三組分材料172中的至少一種可以是不同的。作為一般的非限制性的實例，第一組分材料168、第二組分材料170和/或第三組分材料172可以是金屬或金屬合金。作為具體的非限制性的實例，第三組分材料172可以包括鋼、鋁、鈦、鎳或任何適合的難熔金屬和/或基于鋼、鋁、鈦、鎳或任何適合的難恪金屬的任何合金。
[0042]在又另一個一般的非限制性的實例中，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的至少一種可以是結構上和組成上不同的。作為又另一個具體的非限制性的實例，第一進料140可以包括例如包含第一組分材料168的金屬、粉末164(例如，金屬粉末)，第二進料142可以包括例如具有第一直徑dl和包含第二組分材料170的金屬、絲166(例如，第一絲166a)，和第三進料144可以包括例如具有第二直徑d2和包含第三組分材料172的金屬、絲166(例如，第二絲166b)。作為一個實例，第一組分材料168、第二組分材料170和/或第三組分材料172中的至少一種可以是不同的。作為另一個實例，第一直徑dl和第二直徑d2可以是不同的。作為又另一個實例，第一組分材料168、第二組分材料170和/或第三組分材料172中的至少一種可以是不同的并且第一直徑dl和第二直徑d2可以是不同的。
[0043]例如，引入具有不同結構特性的不同進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144)的一個優點是增加正在形成的結構部件174的類型靈活性的能力。作為實例，具有大的直徑dl的絲166(例如，第二進料142)可以沉積在生長面120上以形成大的結構部件174(例如，整體結構)。作為另一個實例，具有小的直徑d2的絲166(例如，第三進料144)可以沉積在生長面I 20上以形成小的結構部件174(例如，細部結構(detailedstructure))。作為另一個實例，粉末164(例如，第一進料)可以沉積在生長面120上以形成精細結構部件174(例如，精細結構細部)。
[0044]例如，引入具有不同組成特性的不同進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144)的一個優點是產生一種或多種特定合金(例如，由兩種或多種金屬或金屬和非金屬組成的材料)或超合金(例如，高性能合金)的能力。作為一個實例，將第一組分材料168 (例如，鈦)的第一進料140 (例如，粉末164)和第二組分材料170 (例如，鋁)的第二進料142(例如，絲166)引入熔化池124可以將熔化的第一進料146和熔化的第二進料148混合以形成特定合金(例如，鋁化鈦(TiAl))。
[0045]作為另一個實例，將第一組分材料168(例如，商業純的鈦)的第一進料140(例如，粉末164)、第二組分材料170 (例如，鋁)的第二進料142 (例如，絲166)和第三組分材料172(例如，釩)的第三進料144 (絲166)引入熔化池124可以將熔化的第一進料146、熔化的第二進料148和熔化的第三進料150混合以形成特定合金(例如，Ti6Al-4V)。
[0046]例如，引入具有不同組成特性的不同進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144)的另一個優點是產生包含多種不同金屬和/或不同合金的制品102的能力。例如，制品102的一個或多個構建層122或制品122的某些部分可以包括不同的金屬、不同的合金或其組合。
[0047]一種或多種進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的至少一種)可以以不同的進料速率沉積在生長面120上(例如，引入熔化池124)。如本文所使用，術語“進料速率” 一般是指例如基于進料的體積和進料的引入速度(例如，體積為時間的函數)正在沉積在生長面上的進料的量。進一步，進料118的進料速率在制品102的構造期間可以被修改或調整。不同進料118的進料速率可以由以下規定:例如，生長面120上的電磁能114的光斑大小(例如，激光束128的光斑大小)、熔化池124的尺寸D、正在形成的特定結構零件(feature) 174、電磁能量源112的功率級(例如，激光器126的瓦特數)、進料118的組分材料(例如，第一組分材料168、第二組分材料170和/或第三組分材料172)等等。
[0048]例如，在制品12的構造期間改變進料118的進料速率的一個優點是構建制品1 2的不同結構零件174的能力，一種或多種結構零件174具有不同級別的復雜性(例如，大小、形狀、細節等)，以便使不同進料118的物料通過速率(throughput rate)最大化并使制品102的構造時間最小化。
[0049]例如，引入具有不同組成特性(例如，不同組分材料)的不同進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144)并且在不同進料速率下引入的一個優點是在制品102的構造期間在制品102內從一種組分材料過渡至不同的組分材料(例如，從一層122到另一層122)的能力。例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的一種或多種可用于在生長面120處形成特定的(例如，期望的)金屬或金屬合金(例如，熔化池124可以包括熔化的第一進料146、熔化的第二進料148和/或熔化的第三進料150中的一種或多種)。在制品102的構建期間(例如，在連續層122的形成期間)，進料118中的至少一種(例如，第二進料14 2)的量(例如，進料速率)可以改變(例如，增加或減少)以在制品1 2的構造期間在制品102內產生材料過渡(功能分級過渡)。作為一個非限制性的實例，制品102可以通過改變不同進料118的進料速率從不銹鋼過渡(例如，通過連續層122)至鉻鎳鐵合金(Inconel)(例如，奧氏體鎳-鉻基超合金家族)以形成功能分級制品。
[0050]例如，引入具有不同組成特性(例如，不同組分材料)的不同進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144)并且在不同進料速率下引入的另一個優點是顯著減少由于混合組分材料以形成期望合金造成的進料118的浪費。例如，由于合金混合在生長面120上(例如，熔化池124內)進行，因此通過混合不同的組分材料以便產生期望的合金可以不污染過量的粉末164。
[0051]參照圖3和4，并參考圖1，沉積頭106可以包括光學器件160。光學器件160可以位于電磁能量源112和制品102 (例如，制品102的生長面120)之間。光學器件160可以包括任何適合的束形成光學器件。作為一個非限制性的實例，光學器件160可包括精密磨砂光學玻璃(precis1n ground optical glass)。作為另一個非限制性的實例，光學器件160可包括任何耐火的光學系統。
[0052]光學器件160可以配置為例如在生長面120上形成電磁能114(例如，激光束128)、設定電磁能114(例如，激光束128)的大小和/或形狀。例如，光學器件160可以至少部分地規定生長面120處的電磁能114的大小和/或形狀。作為一個實例，光學器件160可以控制生長面上的電磁能114的光斑形狀(例如，激光束128的光斑形狀)(例如，幾何結構)。作為非限制性的實例，生長面上的電磁能114(例如，激光束128)的光斑形狀可以包括圓形、卵形(ovular)、正方形或矩形。其它幾何形狀也被考慮。作為另一個實例，光學器件160可以控制生長面120上的電磁能114的光斑大小(例如，激光束128的光斑大小)(例如，圓形光斑的直徑、正方形光斑的內部線性尺寸等)。
[0053]本領域技術人員將意識到電磁能量源112的功率級(例如，激光器126的瓦特數)也可以至少部分地規定生長面120處的電磁能114的大小和/或形狀。
[0054]因此，光學器件160可以至少部分地規定熔化池124的大小和/或形狀。本領域技術人員將意識到電磁能量源112的功率級(例如，激光器126的瓦特數)也可以至少部分地規定熔化池124的大小和/或形狀。
[0055]參照圖6，并參考圖1，熔化池124可以限定生長面120的一部分，進料118正加入該部分以便構建制品102(例如，形成層122)。熔化池124可以包括熔化的第一進料146(例如，由引導的電磁能114熔化的第一進料140)、熔化的第二進料148(例如，由引導的電磁能114熔化的第二進料142)和/或熔化的第三進料150(例如，由引導的電磁能114熔化的第三進料144)中的至少一種。熔化池124可以包括一定的大小和/或形狀。熔化池124的大小和/或形狀可以至少部分地由生長面120處的引導的電磁能114(例如，激光束128)的大小和/或形狀規定。
[0056]作為一個非限制性的實例，如圖6中所圖解，熔化池124的形狀可以是圓形的。作為其它非限制性的實例(沒有被明確地圖解)，熔化池124的形狀可以包括正方形、矩形或卵形。熔化池124的其它幾何形狀也被考慮。熔化池124的形狀可以至少部分地由生長面120處的電磁能114(例如，激光束128)的形狀——例如由光學器件160控制的——規定。
[0057]熔化池124在生長面120處可以包括大體上與電磁能114(例如，激光束128)的大小--例如由光學器件160控制的--相應的大小。熔化池124可以包括尺寸D。作為一個實例，尺寸D可以是如圖6中所圖解的圓形熔化池124的外周長邊緣之間的直徑。作為另一個實例，尺寸D可以是正方形、矩形或卵形熔化池124的外周長邊緣之間的直線距離(例如，主要尺寸或次要尺寸)。
[0058]參照圖5，光學器件160可以相對于電磁能量源112可移動。作為一個實例，光學器件160可以沿著Z軸(圖2)—一以如圖4和5中圖解的由箭頭200指示的方向一一線性地移動。作為另一個實例，光學器件160也可以沿著X軸和/或Y軸、Z軸中的至少一個線性地移動，繞X軸、Y軸和/或Z軸中的至少一個可旋轉地移動，和/或可以非線性地移動。光學器件160相對于電磁能量源112的移動可以轉變電磁能114 (例如，激光束128 )、重新設定電磁能114 (例如，激光束128)的大小和/或形狀。
[0059]參照圖3-6，光學器件160的移動(例如，改變光學器件160相對于電磁能量源112或生長面120的位置)(圖3-5)可以在制品1 2的構造或制品1 2的特定結構零件174的構造期間調節熔化池124的大小和/或形狀(圖6)。作為實例，利用處于第一位置比如圖3和4中所圖解的位置的光學器件160，電磁能量源112可以引導具有大光斑大小的電磁能114 (例如，激光束128)(圖1)，并因此形成如圖6中虛線所圖解的大的熔化池124。作為另一個實例，利用處于第二位置比如圖5中所圖解的位置的光學器件160，電磁能量源112可以引導具有小光斑大小的電磁能114(例如，激光束128)(圖1)，并因此形成如圖6中實線所圖解的小的熔化池 124。
[0060]作為一個非限制性的實例，大的熔化池124可包括至少大約0.375英寸的尺寸D。作為另一個非限制性的實例，大的熔化池124可以包括大約0.375英寸的尺寸D。作為另一個非限制性的實例，大的熔化池124可包括大于0.375英寸的尺寸D。作為一個非限制性的實例，小的熔化池124可包括至少大約0.070英寸的尺寸D。作為另一個非限制性的實例，小的熔化池124可以包括大約0.070英寸的尺寸D。作為另一個非限制性的實例，小的熔化池124可包括大于0.070英寸的尺寸D。
[0061]例如，調節生長面120處的電磁能114的大小和/或形狀，并因此調節熔化池124的大小和/或形狀的一個優點是在相同的增材制造工藝期間定制(tailor)熔化池124的大小和/或形狀以構造大的(例如，整體)結構零件174和小的(例如，細部)結構零件174二者(例如，使用相同的沉積頭106和/或裝置104)而不降低(sacrif ice)沉積物料通過量的能力。作為一個實例，大的熔化池124可以容納較大量的進料118以形成大的結構零件174。作為另一個實例，小的熔化池124可以容納較少量的進料118以形成精細的結構零件174。
[0062]參照圖3-5，并參考圖1，沉積頭106可包括光學器件驅動機構162。光學器件驅動機構162可以可操作地連接至光學器件160。作為一般的非限制性的實例，光學器件驅動機構162可以包括配置為驅動光學器件160相對于電磁能量源112(和相對于生長面120)運動的任何適合的機械的、機電的、液壓的或氣動的機構。作為具體的非限制性的實例，光學器件驅動機構162可以包括線性驅動馬達、蝸輪、皮帶傳動器等。
[0063]可選地，光學器件160可以相對于電磁能量源112固定，以便固定生長面120處的電磁能114(例如，激光束128)的形式、大小和/或形狀。任選地，電磁能量源112可以相對于光學器件160線性地可移動，以便調節生長面120處的電磁能114(例如，激光束128)的形式、大小和/或形狀。
[0064]任選地(例如，如果基于光學器件160的潛在過熱所需要的)，沉積頭106可以包括與光學器件160相關聯的冷卻機構(未顯不)。
[0065]參照圖1和2，裝置104可包括進料118的來源152。來源152可以包括在制品102的構造期間用于儲存待被沉積頭106使用的一種或多種進料118的任何適合的儲存庫。例如，來源152可以包括第一進料140的第一來源154、第一進料142的第二來源156和/或第三進料144的第三來源158中的至少一個。作為非限制性的實例，第一來源154可以儲存例如第一組分材料164的粉末164的供給。作為另一個非限制性的實例，第二來源156可以儲存例如第二組分材料170的和/或具有第一直徑dl的絲166的供給。作為另一個非限制性的實例，第三來源158可以儲存例如第三組分材料172的和/或具有第二直徑d2的絲166的供給。
[0066]雖然圖1的實例圖解了進料的三種來源，但是額外數目的來源被考慮，這取決于例如通過本文所描述的增材制造技術正被用于構造制品的不同類型的進料的數目。作為一個實例，裝置104可以包括適當數目的來源152以供應用于構造制品102的任何適當數目的各種結構上和/或組成上不同的進料118。
[0067]裝置104可以包括遞送機構178。遞送機構178可以將進料118遞送、轉移或分配至沉積頭106，例如從來源152至材料進料器110。例如，遞送機構178可以包括將第一進料140從第一來源154遞送至第一進料器134的第一遞送機構180、將第二進料142從第二來源156遞送至第二進料器136的第二遞送機構182和/或將第三進料144從第三來源158遞送至第三進料器138的第三遞送機構184中的至少一個。作為非限制性的實例，第一遞送機構180可以配置為將粉末164從第一來源154直接轉移至第一進料器134。作為具體的非限制性的實例，第一遞送機構180可以是材料螺旋推運器、漏斗、氣動粉末遞送機構或其它適合的粉末材料遞送設備。作為另一個非限制性的實例，第二遞送機構182可以配置為將絲166(例如，具有第一直徑dl的第一絲166a)從第二來源156直接轉移至第二進料器136。作為另一個非限制性的實例，第三遞送機構184可以配置為將絲166(例如，具有第二直徑d2的第二絲166b)從第三來源158直接轉移至第三進料器138。作為具體的非限制性的實例，第二遞送機構182和/或第三遞送機構184可以是壓緊輥(pinch roller)、絲進料器、氣動絲遞送機構或其它適合的絲遞送裝置。第二遞送機構182和/或第三遞送機構184也可以包括絲矯直裝置(未顯示)。
[0068]第一遞送機構180可以配置為適應第一進料140的期望進料速率。第一遞送機構180可以進一步配置為調節第一進料140的期望進料速率。作為一個非限制性的實例，第一遞送機構180可以以大約6g/min的速率遞送第一進料140(例如，粉末164)。第二遞送機構182可以配置為適應第二進料142的期望進料速率。第二遞送機構182可以進一步配置為調節第二進料142的期望進料速率。作為一個非限制性的實例，第二遞送機構182可以以大約2英寸/min的速率遞送第二進料142(例如，絲166)。第三遞送機構184可以配置為適應第三進料144的期望進料速率。第三遞送機構184可以進一步配置為調節第三進料144的期望進料速率。作為一個非限制性的實例，第三遞送機構184可以以大約5英寸/min的速率遞送第三進料144(例如，粉末164)。第一進料140、第二進料142和/或第三進料144的一種或多種的其它進料速率也被考慮。
[0069]參照圖1和2，裝置104可包括控制單元176。控制單元176可以在制品102的構造期間與沉積頭106和構建平臺108通訊并配置為控制沉積頭106和構建平臺108。作為一個實例，控制單元176可以與電磁能量源112(例如，激光束128)通訊以開始和停止發射電磁能114，控制電磁能量源112的功率級等等。作為另一個實例，控制單元176可以與沉積頭驅動機構130和/或構建平臺驅動機構132通訊以控制沉積頭106和/或構建平臺108的位置和/或移動。作為另一個實例，控制單元176可以與光學器件驅動機構162通訊以控制光學器件160的位置和/或移動。作為另一個實例，控制單元176可以與遞送機構178(例如，第一遞送機構180、第二遞送機構182和/或第三遞送機構184)通訊以在制品102的構造期間控制進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144)至材料進料器110(例如，第一進料器134、第二進料器136和/或第三進料器138)的遞送和/或進料速率。
[0070]參照圖3-5，沉積頭106可以包括外部的外殼186。外殼186可以例如在開放的內部區域內封裝電磁能量源112、光學器件160和/或光學器件驅動機構162。作為一個實例，夕卜殼186可以限定噴嘴體188并包括第一(例如，上部)末端190和與第一末端190相對的第二 (例如，下部)末端192。外殼186可以在第二末端192處開口，以便沉積進料118。電磁能114可以通過第二末端192離開外殼186。
[0071]噴嘴體188可以限定材料進料器110。進料118可以在第一末端190處進入噴嘴體188并在第二末端192處離開，以便在生長面120上沉積(例如，引入熔化池124)。第一進料器134可以包括在形成噴嘴體188的側壁內形成的第一導軌194。第一導軌194可以包括例如通過(例如，延伸通過)噴嘴體188從外殼186的第一末端190到第二末端192形成的通道、管等等。第一導軌194可以配置為允許第一進料140通過噴嘴體188到生長面120。例如，第一導軌194可以配置為允許粉末164通過。第二進料器136可以包括在形成噴嘴體188的側壁內形成的第二導軌196。第二導軌196可以包括例如通過(例如，延伸通過)噴嘴體188從外殼186的第一末端190到第二末端192形成的通道、管等等。第二導軌196可以配置為允許第二進料142通過噴嘴體188到生長面120。例如，第二導軌196可以配置為允許例如具有第一直徑dl的絲166(例如，第一絲166a)(圖4和圖5)通過。類似地，第三進料器138可以包括在形成噴嘴體188的側壁內形成的第三導軌198。第三導軌198可以包括例如通過(例如，延伸通過)噴嘴體188從外殼186的第一末端190到第二末端192形成的通道、管等等。第三導軌198可以配置為允許第三進料144通過噴嘴體188到生長面120。例如，第三導軌198可以配置為允許例如具有第二直徑d2的絲166(例如，第二絲166b)(圖4和圖5)通過。
[0072]生長面120上的進料118(例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的一種或多種)的沉積角(沒有被明確地圖解)(例如，引入熔化池124的角)可以影響熔化池124的一種或多種特性。例如，沉積角可影響熔漿(熔池，weld puddle)(例如，熔化的第一進料146、熔化的第二進料148和/或熔化的第三進料150中的一種或多種)的質量。進料118的沉積角可以由例如沉積頭106的結構配置(例如，噴嘴體188的配置)、沉積頭106相對于生長面120和/或熔化池124的方位(例如，噴嘴體188的第二末端192的方位)等控制或至少部分地由其規定。
[0073]參照圖7，公開了方法的一個實施方式，一般指定300。可以對方法300進行修改、添加或省略而不脫離本公開內容的范圍。方法300可以包括更多、更少或其它步驟。此外，步驟可以以任何適合的順序進行。
[0074]參照圖7，并參考圖1，方法300可包括通過材料進料器110在生長面120上沉積進料118的步驟，如方框302所顯示。作為一個實例，進料118可以包括第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的至少一種。第一進料140、第二進料142和第三進料144中的至少一種可以是不同的。作為一個實例，第一進料140、第二進料142和第三進料144中的至少一種可以是結構上不同的。作為另一個實例，第一進料140、第二進料142和第三進料144中的至少一種可以是組成上不同的。作為又另一個實例，第一進料140、第二進料142和第三進料144中的至少一種可以是結構上和組成上不同的。
[0075]方法300可以包括將進料118暴露于電磁能114以形成熔化池124的步驟，如方框304所顯示。熔化池124可包括熔化的第一進料146、熔化的第二進料148和熔化的第三進料150中的至少一種。熔化池124可以位于生長面120上的預定位置處。
[0076]方法300可包括固化熔化池124的步驟，如方框306所顯示。熔化池124的固化可以形成制品102的層122的至少一部分。
[0077]方法300可以包括調節熔化池124的大小的步驟，如方框308所顯示。作為一個實例，可以通過相對于電磁能量源112(例如，激光器126)和/或生長面120移動光學器件160以修改生長面120上的電磁能114 (例如，激光束128)的大小(例如，光斑大小)來調節熔化池124的大小(例如，熔化池124的尺寸D)(圖6)。作為另一個實例，可以通過調節(例如，修改)沉積頭106的一個或多個操作參數來調節熔化池124的大小。作為一個實例，可以通過改變(例如，增大或減小)電磁能量源112的功率級來調節熔化池124的大小。作為另一個實例，可以通過改變進料118 (例如，第一進料140、第二進料142和/或第三進料144中的至少一種)的進料速率(例如，增大或減小)來調節熔化池124的大小。
[0078]方框302、304、306和/或308所顯示的步驟可以在生長面120上的一個或多個不同位置處重復以構建制品102的結構零件174 ο制品102和/或制品102的結構零件174可以由多個層122形成。作為一個實例，制品102可以通常沿著Z軸(例如，正交于生長面120的X-Y平面)(圖2)逐層構建。
[0079]本公開內容的實例可以在如圖8中顯示的飛行器制造和服務方法1100和如圖9中所顯示的飛行器1200的內容中描述。在生產前期間，圖解方法1100可以包括飛行器1200的如方框1102所顯示的規格和設計以及如方框1104所顯示的材料采購。在生產期間，可以進行飛行器1200的如方框1106所顯示的部件和子組件制造以及如方框1108所顯示的系統集成。其后，飛行器1200可以經歷如方框1110所顯示的認證和交付，如方框1112所顯示的投入使用。當在使用中時，飛行器1200可以被安排進行如方框1114所顯示的日常維護和保養。日常維護和保養可以包括對飛行器1200的一個或多個系統進行修改、重置、翻新等。
[0080]圖解方法1100的每個過程可以由系統集成商、第三方和/或操作員(例如，顧客)進行或實施。用于該描述的目的，系統集成商可以包括，而不限于，任何數目的飛行器制造商和主系統分包商;第三方可包括，但不限于，任何數目的銷售商、分包商和供應商;和操作員可以是航空公司、租賃公司、軍事實體、服務組織等等。
[0081]如圖9中所顯示，由圖解方法1100生產的飛行器1200可以包括具有多個高級系統1204的機身1202和內部1206。高級系統1204的實例包括推進系統1208、電氣系統1210、液壓系統1212和環境系統1214中的一個或多個。可以包括任何數目的其它系統。雖然顯示了航空航天實例，但是本文公開的原理可以被應用至其它產業，比如汽車和海洋工業。
[0082]本文所顯示或描述的裝置和方法可以在制造和服務方法1100的任何一個或多個階段期間采用。例如，對應于部件和子組件制造(方框1106)的部件或子組件可以以當飛行器1200在使用中時(方框1112)生產的部件或子組件類似的方式構造或制造。而且，裝置和方法的一個或多個實例，或其組合在生產階段(方框1108和1110)期間可以例如通過顯著降低飛行器制造和服務過程中與贗品部件相關聯的風險而被使用。類似地，裝置和方法的一個或多個實例或其組合可以被例如并且非限制地當飛行器1200在使用中時(方框1112)和在維護和保養階段(方框1114)期間使用。
[0083]因此，本文公開的增材制造裝置104、用于增材制造的沉積頭106和方法300的各種實施方式可以利用和沉積不同類型的進料118(例如，原料)以影響增材制造工藝的構造速率。一種或多種進料118(例如，第一進料140、第二進料142、第三進料144等)可以是結構上不同的(例如，包括粉末、絲或不同直徑的絲)、組成上不同的(例如，包括不同的組分材料)或結構上和組成上的組合不同的。這將允許通過定制一定類型和數量的進料118而不降低沉積物料通過量和減少由增材制造工藝構造的三維制品102的后處理機械加工來構建(例如，構造)精細的和大的結構零件174二者。這也將允許同時使用不同的材料類型(例如，合金)以實現遍及制品102的功能分級過渡。
[0084]進一步，本公開內容包括根據以下條款的實施方式:
[0085]條款1.用于增材制造的沉積頭，其包括:
[0086]材料進料器，其包括:
[0087]將第一進料沉積至生長面的第一進料器;和
[0088]將第二進料沉積至所述生長面的第二進料器;和
[0089]將電磁能引導至所述生長面的電磁能量源，
[0090]其中所述電磁能在所述生長面上形成熔化池，和
[0091]其中所述熔化池包括熔化的第一進料和熔化的第二進料中的至少一種。
[0092]條款2.條款I所述的沉積頭，進一步包括聚焦所述電磁能的光學器件。
[0093]條款3.條款2所述的沉積頭，其中所述光學器件相對于所述電磁能量源是線性可移動的，并且所述光學器件相對于所述電磁能量源的線性移動調節所述熔化池的大小。
[0094]條款4.條款2所述的沉積頭，其中所述光學器件包括精密磨砂光學玻璃。
[0095]條款5.條款I所述的沉積頭，其中所述第一進料和所述第二進料是不同的。
[0096]條款6.條款I所述的沉積頭，其中所述第一進料包括粉末，并且其中所述第二進料包括絲。
[0097]條款7.條款I所述的沉積頭，其中所述第一進料包括第一組分材料，其中所述第二進料包括第二組分材料，并且其中所述第一組分材料和所述第二組分材料是不同的。
[0098]條款8.條款I所述的沉積頭，其中所述材料進料器進一步包括將第三進料沉積至所述生長面的第三進料器，并且其中所述熔化池包括所述熔化的第一進料、所述熔化的第二進料和熔化的第三進料中的至少一種。
[0099]條款9.條款8所述的沉積頭，其中所述第一進料、所述第二進料和所述第三進料中的至少一種是不同的。
[0100]條款10.條款8所述的沉積頭，其中所述第一進料包括粉末，其中所述第二進料包括具有第一直徑的絲，其中所述第三進料包括具有第二直徑的絲，并且其中所述第一直徑和所述第二直徑是不同的。
[0101]條款11.條款10所述的沉積頭，其中所述第一進料包括第一組分材料，其中所述第二進料包括第二組分材料，其中所述第三進料包括第三組分材料，并且其中所述第一組分材料、所述第二組分材料和所述第三組分材料中的至少一種是不同的。
[0102]條款12.增材制造裝置，其包括:
[0103]支撐生長面的構建平臺；和
[0104]相對于所述構建平臺可移動的沉積頭，所述沉積頭包括:
[0105]將第一進料沉積至所述生長面的第一進料器;和
[0106]將第二進料沉積至所述生長面的第二進料器;和
[0107]將電磁能引導至所述生長面的電磁能量源，
[0108]其中所述電磁能在所述生長面上形成熔化池，和
[0109]其中所述熔化池包括熔化的第一進料和熔化的第二進料中的至少一種。
[0110]條款13.條款12所述的裝置，其中所述沉積頭進一步包括聚焦所述電磁能的光學器件，其中所述光學器件相對于所述電磁能量源是線性可移動的，并且其中所述光學器件相對于所述電磁能量源的線性移動調節所述熔化池的大小。
[0111]條款14.條款12所述的裝置，其中所述第一進料和所述第二進料是結構上不同的或組成上不同的之一。
[0112]條款15.條款12所述的裝置，其中所述第一進料包括第一組分材料的粉末，和其中所述第二進料包括第二組分材料的絲，并且其中所述第一組分材料和所述第二組分材料是不同的。
[0113]條款16.條款12所述的裝置，其中所述沉積頭進一步包括將第三進料沉積至所述生長面的第三進料器，其中所述熔化池包括所述熔化的第一進料、所述熔化的第二進料和熔化的第三進料中的至少一種，并且其中所述第一進料、所述第二進料和所述第三進料中的至少一種是結構上不同的或組成上不同的之一。
[0114]條款17.用于增材制造三維制品的方法，所述方法包括:
[0115]通過材料進料器沉積進料至生長面，其中所述進料包括第一進料、第二進料和第三進料中的至少一種，并且其中所述第一進料、所述第二進料和所述第三進料中的至少一種是不同的；
[0116]將所述進料暴露于電磁能以形成熔化池，其中所述熔化池包括熔化的第一進料、熔化的第二進料和熔化的第三進料中的至少一種;和
[0117]固化所述熔化池。
[0118]條款18.條款17所述的方法，進一步包括調節所述熔化池的大小。
[0119]條款19.條款17所述的方法，其中所述第一進料包括粉末，其中所述第二進料包括具有第一直徑的絲，其中所述第三進料包括具有第二直徑的絲，并且其中所述第一直徑和所述第二直徑是不同的。
[0120]條款20.條款17所述的方法，其中所述第一進料包括第一組分材料，其中所述第二進料包括第二組分材料，其中所述第三進料包括第三組分材料，并且其中所述第一組分材料、所述第二組分材料和所述第三組分材料中的至少一種是不同的。
[0121]雖然已經顯示和描述了公開的裝置和方法的不同實施方式，但是本領域技術人員在閱讀了本說明書之后可以想到改變。本申請包括這種改變并僅由權利要求的范圍限制。
【主權項】
1.用于增材制造的沉積頭(106)，其包括: 材料進料器(I 10)，其包括: 將第一進料(140)沉積至生長面(120)的第一進料器(134);和 將第二進料(142)沉積至所述生長面(120)的第二進料器(136);和 將電磁能(114)引導至所述生長面(120)的電磁能量源(112)， 其中所述電磁能(114)在所述生長面(120)上形成熔化池(124)，和 其中所述熔化池(124)包括熔化的第一進料(146)和熔化的第二進料(I48)中的至少一種。2.權利要求1所述的沉積頭(106)，進一步包括聚焦所述電磁能(I14)的光學器件(160)。3.權利要求2所述的沉積頭(106)，其中所述光學器件(160)相對于所述電磁能量源(112)是線性可移動的，并且所述光學器件(160)相對于所述電磁能量源(112)的線性移動調節所述熔化池(124)的大小。4.權利要求1所述的沉積頭(106)，其中所述第一進料(140)和所述第二進料(142)是不同的。5.權利要求1所述的沉積頭(106)，其中所述第一進料(140)包括粉末(164)，并且其中所述第二進料(142)包括絲(166)。6.權利要求1所述的沉積頭(106)，其中所述第一進料(140)包括第一組分材料(168)，其中所述第二進料(142)包括第二組分材料(170)，并且其中所述第一組分材料(168)和所述第二組分材料(170)是不同的。7.權利要求1所述的沉積頭(106)，其中所述材料進料器(110)進一步包括將第三進料(144)沉積至所述生長面(120)的第三進料器(138)，并且其中所述熔化池(124)進一步包括所述熔化的第一進料(I46)、所述熔化的第二進料(I48)和熔化的第三進料(I50)中的至少一種。8.權利要求7所述的沉積頭，其中所述第一進料(140)、所述第二進料(142)和所述第三進料(144)中的至少一種是不同的。9.權利要求7所述的沉積頭(106)，其中所述第一進料(140)包括粉末(164)，其中所述第二進料(142)包括具有第一直徑的絲(166)，其中所述第三進料(144)包括具有第二直徑的絲(166)，并且其中所述第一直徑和所述第二直徑是不同的。10.權利要求9所述的沉積頭(106)，其中所述第一進料(140)包括第一組分材料(168)，其中所述第二進料(142)包括第二組分材料(170)，其中所述第三進料(144)包括第三組分材料(172 )，并且其中所述第一組分材料(168)、所述第二組分材料(170)和所述第三組分材料(172)中的至少一種是不同的。11.增材制造裝置(104)，其包括: 支撐生長面(120)的構建平臺(108);和 相對于所述構建平臺(108)可移動的沉積頭(106)，所述沉積頭(106)包括: 將第一進料(140)沉積至所述生長面(120)的第一進料器(134);和 將第二進料(142)沉積至所述生長面(120)的第二進料器(136);和 將電磁能(114)引導至所述生長面(120)的電磁能量源(112)， 其中所述電磁能(114)在所述生長面(120)上形成熔化池(124)，和 其中所述熔化池(124)包括熔化的第一進料(146)和熔化的第二進料(I48)中的至少一種。12.權利要求11所述的裝置(104)，其中所述沉積頭(106)進一步包括聚焦所述電磁能(114)的光學器件(160)，其中所述光學器件(160)相對于所述電磁能量源(112)是線性可移動的，并且其中所述光學器件(160)相對于所述電磁能量源(112)的線性移動調節所述熔化池(124)的大小。13.權利要求11所述的裝置(104)，其中所述第一進料(140)和所述第二進料(142)是結構上不同的或組成上不同的之一。14.權利要求11所述的裝置(104)，其中所述沉積頭(106)進一步包括將第三進料(144)沉積至所述生長面(120)的第三進料器(138)，其中所述熔化池(124)包括所述熔化的第一進料(146)、所述熔化的第二進料(148)和熔化的第三進料(150)中的至少一種，并且其中所述第一進料(140)、所述第二進料(142)和所述第三進料(144)中的至少一種是結構上不同的或組成上不同的之一。15.用于增材制造三維制品的方法(300)，所述方法包括: 通過材料進料器(110)沉積(302)進料(140)、(142)、(144)至生長面(120)，其中所述進料包括第一進料(140)、第二進料(142)和第三進料(144)中的至少一種，并且其中所述第一進料(140)、所述第二進料(142)和所述第三進料(144)中的至少一種是不同的； 將所述進料(140)、(142)、(144)暴露(304)于電磁能(114)以形成熔化池(124)，其中所述熔化池(124)包括熔化的第一進料(146)、熔化的第二進料(148)和熔化的第三進料(150)中的至少一種； 調節(308)所述熔化池(124)的大小，和 固化(306)所述熔化池(124)。
【文檔編號】B22F3/105GK106041071SQ201610205800
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年3月31日 公開號201610205800.6, CN 106041071 A, CN 106041071A, CN 201610205800, CN-A-106041071, CN106041071 A, CN106041071A, CN201610205800, CN201610205800.6
【發明人】J·F·瓊斯, D·M·迪特里希
【申請人】波音公司